(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を入射しその反射光を送出するための光入射／反射面を有する金属層と、
該金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と
を具備し、
前記金属層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、前記誘電体層を反転分布状態にすることにより前記誘電体層の消衰係数を負にし、前記表面プラズモン共鳴光と前記誘電体層の反転分布状態のエネルギーとを共振状態にするようにした光増幅器。
【請求項２】
前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角は、前記誘電体層が非反転分布状態のときに、全反射領域において前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となる光吸収ディップ角度である請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記金属層の厚さは、前記誘電体層が非反転分布状態のときに、前記光吸収ディップ角度で入射した前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、選択された請求項２に記載の光増幅器。
【請求項４】
さらに、前記金属層の前記光入射／反射面に付着された透明基材を具備する請求項１に記載の光増幅器。
【請求項５】
前記透明基材はプリズムである請求項４に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記プリズムの稜部に対向する面が前記金属層に付着された請求項５に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記プリズムの稜部を挟む２つの面の一方の面に無反射コートを被覆し、該無反射コートを介して前記入射光を入射せしめるようにした請求項６に記載の光増幅器。
【請求項８】
前記金属層が金よりなる請求項１に記載の光増幅器。
【請求項９】
前記誘電体層は有機色素層である請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１０】
前記誘電体層は半導体層である請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１１】
さらに、前記誘電体層の前記金属層と反対側面に被覆された共振器層を具備する請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１２】
前記共振器層は銀層である請求項１１に記載の光増幅器。
【請求項１３】
前記共振器層は誘電体多層鏡構造である請求項１１に記載の光増幅器。
【請求項１４】
前記金属層に前記入射光の波長より小さい径を有する複数の孔部を設けた請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１５】
前記複数の孔部が規則性を有する請求項１４に記載の光増幅器。
【請求項１６】
前記誘電体層の励起は10フェムト秒以上のパルス幅を有する照射光によって行われる請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１７】
前記誘電体層の励起はパルス化された電流注入によって行われる請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１８】
入射光を入射しその反射光を送出するための光入射／反射面を有する金属層と、
該金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と
を具備し、
前記金属層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、前記誘電体層を反転分布状態にすることにより前記誘電体層の消衰係数を負にし、前記表面プラズモン共鳴光と前記誘電体層の反転分布状態のエネルギーとを共振状態にするようにした光増幅器の設計方法であって、
前記誘電体層が非反転分布状態のときに、全反射領域において前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように前記金属層の厚さを選択する工程と、
前記誘電体層が非反転分布状態のときに、前記選択された金属層の厚さを維持しつつ全反射領域において前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記誘電体層の厚さの組合せを選択する工程と、
前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記誘電体層の厚さの組合せの１つを維持しつつ前記入射光の前記入射角での反射率が所定値より大きくなるように前記誘電体層の反転分布状態に対応する前記誘電体層の負の消衰係数を決定する工程と
を具備する光増幅器の設計方法。
【請求項１９】
入射光を入射しその反射光を送出するための光入射／反射面を有する金属層と、
該金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層と、
前記誘電体層の前記金属層と反対側面に被覆された共振器層と
を具備し、
前記金属層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、前記誘電体層を反転分布状態にすることにより前記誘電体層の消衰係数を負にし、前記表面プラズモン共鳴光と前記誘電体層の反転分布状態のエネルギーとを共振状態にするようにした光増幅器の設計方法であって、
前記共振器層の透過率に応じて該共振器層の厚さを選択する工程と、
前記誘電体層の厚さを選択する工程と、
前記誘電体層が非反転分布状態のときに、全反射領域において前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記金属層の厚さを選択する工程と、
前記入射光の前記金属層の光入射／反射面での入射角及び前記誘電体層の厚さを維持しつつ前記入射光の前記入射角での反射率が所定値より大きくなるように前記誘電体層の反転分布状態に対応する前記誘電体層の負の消衰係数を決定する工程と
を具備する光増幅器の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信等において光を直接増幅する光増幅器及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光増幅器として、光ファイバ増幅器、光導波路型増幅器等がある。
【０００３】
図１７に示すように、従来の光ファイバ増幅器は、信号光を受信する信号光受信部１０１、励起光（ポンピング光）を発生する半導体レーザにより構成される励起光発生部１０２、信号光を伝播する光ファイバ１０１ａ及び励起光を伝播する光ファイバ１０２ａを結合する光ファイバカプラ１０３、及び信号光を励起光で増幅する希土類金属ドープ光ファイバ１０４により構成されている。希土類金属はたとえばエルビウム等である。この希土類金属ドープ光ファイバ内において、励起光によって励起された反転分布状態の希土類金属の励起準位間エネルギー遷移を利用して信号光を増幅する（参照：特許文献１）。
【０００４】
また、図１８に示すように、従来の光導波路型増幅器は、信号光受信部２０１、及び光導波路２０２ａにAlGaAs半導体光増幅器２０２ｂが埋め込まれた光回路基板２０２により構成されており、信号光を電流注入によって増幅する（参照：特許文献２）。
【特許文献１】特開平４−４６０３４号公報
【特許文献２】特開平４−２１３８８４号公報
【非特許文献１】福井萬壽夫他，“光ナノテクノロジーの基礎”，オーム社，p.39-41，2003年11月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１７の光ファイバ増幅器及び図１８の光導波路型増幅器における出力光強度Ioutは、
Iout = Iinexp(αd)
但し、Iin：信号光強度
α：利得係数 (cm-1)
d ：相互作用長 (cm)
で表される。
【０００６】
図１７の光ファイバ増幅器においては、相互作用長dは大きくできるが、利得係数α＝0.01〜0.001と小さく、この結果、出力光強度Ioutは小さいという課題があった。
【０００７】
他方、図１８の光導波路型増幅器は、利得係数α＝100〜10000と大きくできるが、相互作用長dは小さく、この結果、やはり、出力光強度Ioutは小さいという課題があった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、出力光強度が大きい光増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光増幅器は、入射光を入射しその反射光を送出するための光入射／反射面を有する金属層と、金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層とを具備し、金属層において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、誘電体層を反転分布状態にすることにより誘電体層の消衰係数を負にし、表面プラズモン共鳴光と誘電体層の反転分布状態のエネルギーとを共振状態にするようにしたものである。
【００１０】
入射光の金属層の光入射／反射面での入射角は、誘電体層が非反転分布状態のときに、全反射領域において入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となる光吸収ディップ角度である。これにより、表面プラズモン共鳴光の励起量は大きくなる。
【００１１】
金属層の厚さは、誘電体層が非反転分布状態のときに、光吸収ディップ角度で入射した入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように選択されたものである。これにより、表面プラズモン共鳴光の励起量は大きくなる。
【００１２】
誘電体層は有機色素層あるいは半導体層である。
【００１３】
さらに、誘電体層の金属層と反対側に被覆された共振器層を具備する。この共振器層は銀（Ag）層あるいは誘電体多層鏡構造である。
【００１４】
また、本発明は、入射光を入射しその反射光を送出するための光入射／反射面を有する金属層と、金属層の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層とを具備し、金属層において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、誘電体層を励起状態にすることにより誘電体層の消衰係数を負にし、表面プラズモン共鳴光と誘電体層の反転分布状態のエネルギーとを共振状態にするようにした光増幅器の設計方法であって、誘電体層が非反転分布状態のときに、全反射領域において入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように金属層の厚さを選択する工程と、誘電体層が非反転分布状態に選択された金属層の厚さを維持しつつ全反射領域において入射光の金属層の光入射／反射面での反射率が最小となるように、入射光の金属層の光入射／反射面での入射角及び誘電体層の厚さの組合せを選択する工程と、その組合せの１つにおいて、入射光の選択入射角での反射率が所定値を超えるように、誘電体層の反転分布状態に対応する誘電体層の負の消衰係数を決定する工程とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、出力光（反射光）強度を大きくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明に係る光増幅器の第１の実施の形態を示す断面図である。
【００１７】
図１において、光増幅器は、透明基材としての屈折率n1=1.535、頂角90°のBK-7プリズム１、BK-7プリズム１の稜部１１に対向する面１２に蒸着等により被覆された金属層として金（Au）層２、及び金層２の光入射／反射面の反対面に被覆された誘電体層としてたとえばローダミンB（rhodamine B）の有機色素層３を備えている。金層２の長さはたとえば1cm程度であり、また、厚さは10nm〜10μmの範囲である。金層２の厚さが10nm未満では、金層２で発生するエバネッセント光を金層２が十分に吸収できないことがあり、また、金層２の厚さが10μmを超えると、金層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり金層２の表面プラズモン共鳴光を励起できないことがある。尚、金層２とBK-7プリズム１との密着性を高めるために、BK-7プリズム１の表面に1〜2nm程度のCr等の金属を蒸着してもよい。
【００１８】
また、BK-7プリズム１の稜部１１を挟む２つの面１３、１４の一方の面１３には無反射（AR）コート４が被覆されている。尚、BK-7プリズム１の反射率たとえば８％による入射損失が無視できれば、無反射コート４は省略できる。
【００１９】
さらに、He-Neレーザ源５及び波長板６が設けられ、これによりHe-Neレーザ源５から発生した可視レーザ光Vが波長板６、無反射コート４及びBK-7プリズム１を介して金層２に入射する。この場合、金層２にエバネッセント光を発生させ、このエバネッセント光により表面プラズモン共鳴光を励起させるためには、可視レーザ光Vの金層２の光入射／反射面に水平な偏光いわゆるTM偏光もしくはP偏光をBK-7プリズム１に入射させる必要があり、このために、波長板６を回転調整する。尚、He-Neレーザ源５の可視レーザ光Vの偏光は直線偏光を有しているので、波長板６を設けずに、He-Neレーザ源５の筐体を回転させて上記のP偏光を形成してもよい。
【００２０】
金層２において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、有機色素層３においてレーザ光（ポンプ光）の照射もしくは電流注入等により励起して反転分布状態にし、これにより、有機色素層３の消衰係数k3を負にする。この結果、消衰係数k3の負の値に応じて金層２の光入射／反射面の出力光（反射光）強度Ioutは入力光強度Iinの103〜105倍程度となる。これは表面プラズモン共鳴光と有機色素層３の励起状態つまり反転分布状態とが共振状態となるからと考えられる。
【００２１】
ここで、有機色素層３はたとえばレーザ発振をするローダミンB（rhodamine B）と呼ばれる有機系材料をドープしたBN-POF[binaphthyl-poly(9,9-dioctylfluorene)]と呼ばれるホスト材料を、スピンコーティング技術等により被覆したものである。
【００２２】
図１の光増幅器の動作原理は、可視レーザ光Vによって金層２にエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光により金層２の光入射／反射面と反対面に表面プラズモン共鳴光を励起させる。この場合、可視レーザ光VはP偏光なので金層２の表面に平行な電界成分及び垂直な電界成分を有し、それぞれの電界成分が増大する。たとえば、この表面プラズモン共鳴光により金層２の上記反対面での入射光の電界強度は２０倍程度となり、従って、金層２の入射光の光強度はその電界成分の２乗なので400（=20×20）倍程度となる。表面プラズモン共鳴光については非特許文献１を参照されたし。
【００２３】
尚、図１の光増幅器において、He-Neレーザ源５の可視レーザ光Vの波長はλ=632.8nmとすれば、金の表面プラズモン共鳴波長は600〜1000nmであるので、表面プラズモン共鳴光が励起される。
【００２４】
図２は図１の光増幅器の設計フローを示すフローチャートである。
【００２５】
始めに、ステップ２０１にて金層２の最適の厚さt2を選択する。図１の金層２の光入射／反射面の反対面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とする可視レーザ光Vの入射角θは、臨界角θcより大きい範囲で、金層２の光入射／反射面での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。つまり、BK-7プリズム１に対して可視レーザ光Vを相対的に角度スキャンして金層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果である全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図３に示してある。尚、このシミュレーションソフトとしてはマックスプランク研究所開発のWinSpall（商標名）を用いる。波長λ=632.8nmのレーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=可変
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=0
である。つまり、有機色素層３が形成されていない状態である。
【００２６】
図３においては、金層２の厚さt2に応じた複数のATR信号スペクトルのうち、金層２の厚さt2=53nmのATR信号スペクトルのみを図示してある。金層２の厚さt2が10nm未満では、金層２で発生するエバネッセント光を金層２が十分に吸収できないことからプラズモンディップが発生しない。また、金層２の厚さt2が60nmを超えると、金層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、金層２の表面プラズモン共鳴光の励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。図３においては、金層２の厚さt2≒53nmでのATR信号スペクトルが反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有することが分かる。従って、金層２の厚さt2を53±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００２７】
次に、ステップ２０２に進み、組合せ（入射角θ、有機色素層３の厚さt3）の検出をする。この組合せの検出は有機色素層３の非励起状態（k3=0）で行う。金層２の厚さt2を53nmに維持すると共に、有機色素層３の厚さt3を0〜50nmの範囲で変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図４に示してある。尚、図４においては、代表として、有機色素層３の厚さt3=25, 50nmの場合のみを図示してある。波長λ=632.8nmの可視レーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=53nm
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=可変
屈折率n3=1.4
消衰係数k3=0
である。
【００２８】
図４に示すように、有機色素層３は吸収損失（k3=0）を生じないので、有機色素層３の厚さt3が増大すると、プラズモンディップ角度は高角側にシフトするが、プラズモンディップの深さは反射率R=0点と同一である。つまり、非励起状態の有機色素層３の厚さt3に関係なく、効率のよい表面プラズモン共鳴光を励起できる。説明を簡単にするために、ここでは、次の２つの組合せ（θ，t3）を検出したものと仮定する。
（49.5°，25nm）
（59.5°，50nm）
【００２９】
次に、ステップ２０３、２０４において、（θ，t3）候補のうち１つの検出された組合せ（θ，t3）を１つ選択する。
【００３０】
次に、ステップ２０５〜２０９のフローに進み、選択された組合せ（θ，t3）を維持した状態で、所望の反射率Rが得られるように有機色素層３の消衰係数k3を決定する。つまり、組合せ（θ，t3，k3）を決定する。尚、有機色素層３の消衰係数k3は有機色素層３に第２のレーザ光（ポンプ光）を当てることによってもしくは電流注入によって励起状態つまり反転分布状態の強度によって一義的に定まる。つまり、k3=η1I、但し、Iはポンプ光のエネルギー等、η1は定数、である。以下、ステップ２０５〜２０９について詳述する。
【００３１】
ステップ２０５において、消衰係数k3を-kmin(kminは正の値たとえば0.001)とし、ステップ２０６にて、ATR信号スペクトルをシミュレーションソフトを用いて演算し、ATR信号スペクトルから選択入射角での反射率Rmaxを求める。尚、ATR信号スペクトルを求めず、反射率Rmaxを直接求めてもよい。次いで、ステップ２０７にて、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rth(たとえば6E4)より大きいか否かを判別する。この結果、Rmax>Rthの場合のときのみステップ２１０に進み、他方、Rmax≦Rthの場合には、ステップ２０８、２０９により消衰係数k3をΔk（たとえば0.001）だけ小さくしてステップ２０６、２０７のフローを繰返す。つまり、消衰係数k3を-kminから-kmax(kmaxは正の値たとえば1.0)まで変化させ,その間に、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rthに到達したときの消衰係数k3を選択する。尚、ステップ２０３にて検出された組合せ（θ，t3）がすべて選択済であれば、ステップ２１１に進み、エラーとなる。
【００３２】
たとえば、ステップ２０４にて（θ，t3）=（49.5°，25nm）を選択し、k3=-0.05の場合にステップ２０６にて演算されたATR信号スペクトルが図５の（Ａ）に図示され、k3=-0.077の場合にステップ２０６にて演算されたATR信号スペクトルが図５の（Ｂ）に図示されている。いずれの場合も、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達していないので、ステップ２０８、２０９にて消衰係数k3は更新され、ステップ２０６に戻る。
【００３３】
また、ステップ２０４にて（θ，t3）=（59.5°，50nm）を選択し、k3=-0.05の場合にステップ２０６にて演算されたATR信号スペクトルが図６の（Ａ）に図示され、k3=-0.077の場合にステップ２０６にて演算されたATR信号スペクトルが図６の（Ｂ）に図示されている。k3=-0.05の場合は、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達していないので、ステップ２０８、２０９にて消衰係数k3は更新されてステップ２０６に戻るが、k3=-0.077の場合には、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達しているので、ステップ２０７からステップ２１０に進み、k3=-0.077が選択されることになる。つまり、（θ，t3，k3）として（59.5°，50nm，-0.077）が選択されることになる。
【００３４】
図６においては、波長λ=632.8nmの可視レーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=53nm
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=50nm
屈折率n3=1.4
消衰係数k3=-0.05, -0.077
である。
【００３５】
図６に示すように、有機色素層３の厚さt3が50nmにおいては、消衰係数k3=-0.05である場合には、選択入射角での反射率は大きくなるも所定値Rthに到達せず、消衰係数k3=-0.077である場合には、選択入射角での反射率は非常に大きくなって所定値を超える。従って、組合せ（θ，t3，k3）=（59.5°，50nm，-0.077）を選択することになる。
【００３６】
このように、有機色素層３の励起強度に応じて消衰係数k3を変化できる。この場合、有機色素層３を利用した光増幅器において、利得係数αを104（cm-1）以上とすることができるので、有機色素層３の励起強度に応じて消衰係数k3を0〜-0.1の範囲で負の値に容易に調整できる。
【００３７】
図７は本発明に係る光増幅器の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００３８】
図７において、図１の有機色素層３の代りに、高い利得係数αを有する半導体層たとえばGaAs層３ａを設け、また、図１のHe-Neレーザ源５の代りに、GaAsのバンドギャップに合せて900nmの赤外レーザ光IRを発生する赤外レーザ源５ａを設けてある。
【００３９】
金層２において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起すると共に、GaAs層３ａにおいてレーザ光（ポンプ光）の照射もしくは電流注入等により励起して反転分布状態にし、これにより、GaAs層３ａの消衰係数k3を負にする。この結果、消衰係数k3の負の値に応じて金層２の光入射／反射面の反射光強度Ioutは入射光強度Iinの1012倍程度となる。これは表面プラズモン共鳴光とGaAs層３ａの励起状態つまり反転分布状態とが共振状態となるからと考えられる。また、後述のごとく、小さなビーム発散角を有する。
【００４０】
図７の光増幅器の動作原理も、図１の光増幅器の動作原理と同一である。
【００４１】
尚、図７の光増幅器において、赤外レーザ光IRはλ=900nmとすれば、金の表面プラズモン共鳴波長は600〜1000nmであるので、表面プラズモン共鳴光を励起する。
【００４２】
図８は図７の光増幅器の設計フローを示すフローチャートである。
【００４３】
始めに、ステップ８０１にて金層２の最適の厚さt2を選択する。図８の金層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするレーザ光IRの入射角θは臨界角θcより大きい範囲で、金層２の光入射／反射面での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。つまり、BK-7プリズム１に対して赤外レーザ光IRを相対的に角度スキャンして金層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果である全反射減衰（ATR）信号スペクトル（図示せず）により最適の厚さt2を選択する。この場合、波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=可変
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。GaAs層３ａについて、
厚さt3=0
である。つまり、GaAs層３ａが形成されていない状態である。この結果、金層２の厚さt2≒39nmで反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有し、金層２の厚さt2を39±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００４４】
次に、ステップ８０２に進み、組合せ（入射角θ、GaAs層３ａの厚さt3）を検出する。この組合せの検出はGaAs層３ａの非励起状態（k3=0）で行う。金層２の厚さt2を39nmとすると共に、GaAs層３ａの厚さt3を0〜50nmの範囲で変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図９に示してある。尚、図９においては、代表として、GaAs層３ａの厚さt3=10nmの場合のみを図示してある。波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。GaAs層３ａについて、
厚さt3=可変
屈折率n3=3.57
消衰係数k3=0.00013
である。
【００４５】
図９に示すように、GaAs層３ａは少し吸収損失（k3=0.00013）を生じるが、t3=10nmで効率のよい表面プラズモン共鳴光を励起できる。説明を簡単にするために、ここでは、次の１つの組合せ（θ，t3）を検出したものと仮定する。
（41.5°，10nm）
【００４６】
次に、ステップ８０３、８０４において、（θ，t3）候補のうち１つの検出された組合せ（θ，t3）を１つ選択する。
【００４７】
次に、ステップ８０５〜８０９のフローに進み、選択された組合せ（θ，t3）を維持した状態で、所望の反射率Rが得られるようにGaAs層３ａの消衰係数k3を決定する。つまり、組合せ（θ，t3，k3）を決定する。尚、GaAs層３ａの消衰係数k3はGaAs層３ａに第２のレーザ光（ポンプ光）を当てることによってもしくは電流注入によって励起状態つまり反転分布状態の強度によって一義的に定まる。つまり、k3=η2I、但し、Iはポンプ光のエネルギー等、η2は定数、である。以下、ステップ８０５〜８０９について詳述する。
【００４８】
ステップ８０５において、消衰係数k3を-kmin(kminは正の値たとえば0.001)とし、ステップ８０６にて、ATR信号スペクトルをシミュレーションソフトを用いて演算し、ATR信号スペクトルから選択入射角での反射率Rmaxを求める。尚、ATR信号スペクトルを求めず、反射率Rmaxを直接求めてもよい。次いで、ステップ８０７にて、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rth(たとえば6E4)より大きいか否かを判別する。この結果、Rmax>Rthの場合のときのみステップ８１０に進み、他方、Rmax≦Rthの場合には、ステップ８０８、８０９により消衰係数k3をΔk（たとえば0.001）だけ小さくしてステップ８０６、８０７のフローを繰返す。つまり、消衰係数k3を-kminから-kmax(kmaxは正の値たとえば1.0)まで変化させ,その間に、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rthに到達したときの消衰係数k3を選択する。尚、ステップ８０３にて検出された組合せ（θ，t3）がすべて選択済であれば、ステップ８１１に進み、エラーとなる。
【００４９】
たとえば、ステップ８０４にて（θ，t3）=（41.5°，10nm）を選択し、k3=-0.64587の場合にステップ８０６にて演算されたATR信号スペクトルが図１０に図示されている。この場合には、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達しているので、ステップ８０７からステップ８０８に進み、k3=-0.64587が選択されることになる。つまり、（θ，t3，k3）として（41.5°，10nm，-0.64587）が選択されることになる。
【００５０】
図１０においては、波長λ=900nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.22
消衰係数k2=6
である。GaAs層３ａについて、
厚さt3=10nm
屈折率n3=3.57
消衰係数k3=-0.64587
である。
【００５１】
尚、図１０の反射スペクトルは、図１１に示すごとく、非常に鋭いデルタ関数スペクトルである。このように、図１０、図１１に示すように、GaAs層３ａの厚さt3が10nmにおいては、図９のプラズモンディップ角度θ=41.5°（実際には少しずれた角度41.45°）で消衰係数k3が負の値-0.64587のときに、金層２の光入射／出射面における反射光強度Ioutは入射光強度Iinの1012倍程度となる。このようにして、組合せ（θ，t3，k3）=（41.5°，10nm，-0.64587）を選択する。
【００５２】
このように、GaAs層３ａの励起強度に応じて消衰係数k3を負の値に容易に調整できる。
【００５３】
また、上述の消衰係数k3=-0.64587における反射光強度Iout／入射光強度Iinが1012倍程度というのは、最大値ではなく、理論的には、レーザ発振における自励発振状態に相当し、反射光強度は無限大である。しかし、実際には、反射光強度Ioutが増大するに従って誘導吸収、誘導散乱等の非線形損失のために反射光強度は無限大とならない。
【００５４】
さらにまた、小さなビーム発散角を有している。通常、小さなビーム発散角を達成するためには、非常に長い共振器構造を必要とするが、100nmと非常に短い共振器構造においても小さなビーム発散角が可能となる。
【００５５】
図１２は本発明に係る光増幅器の第３の実施の形態を示す断面図である。
【００５６】
図１２においては、図１の光増幅器に共振器層としての銀（Ag）層７を付加してある。銀層７は有機色素層３の金層２と反対側面に被覆されている。
【００５７】
有機色素層３をλ=320nmの紫外レーザ光（ポンプ光）で励起すると仮定すると、銀層７はHe-Neレーザ源５の可視レーザ光V（λ=623.8nm）に対しては高い反射率を有し、他方、紫外レーザ光（λ=320nm）に対しては低い反射率つまり、高い透過率を有する。従って、このような反射率選択性を有する銀層７は共振器層として作用することになる。
【００５８】
図１２の光増幅器の動作原理は、可視レーザ光Vは金層２に入射し、有機色素層３を通過しても銀層７によって反射される。他方、有機色素層３は銀層７を通過したポンプ光によって励起される。この結果、入射及び反射された可視レーザ光Vによって金層２にエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光により金層２の光入射／反射面と反対面に表面プラズモン共鳴光を励起させる。この場合、可視レーザ光VはP偏光なので金層２の表面に平行な電界成分及び垂直な電界成分を有し、それぞれの電界成分が増大する。たとえば、この表面プラズモン共鳴光により金層２の上記反対面での入射光の電界強度は２０倍程度となり、従って、金層２の入射光の光強度はその電界成分の２乗なので400（=20×20）倍程度となる。
【００５９】
尚、図１２の光増幅器においても、He-Neレーザ源５の可視レーザ光Vの波長はλ=632.8nmとすれば、金の表面プラズモン共鳴波長は600〜1000nmであるので、表面プラズモン共鳴光が励起される。
【００６０】
図１３は図１２の光増幅器の設計フローを示すフローチャートである。
【００６１】
始めに、ステップ１３０１にて銀層７の厚さt4を選択する。たとえば、銀層７の厚さt4を10nmとすれば、紫外レーザ光（λ=320nm）に対して銀層７の透過率は７０〜８０％となる。従って、t4=10nmとする。
【００６２】
次に、ステップ１３０２にて有機色素層３の厚さt3を選択する。たとえば、第１の実施の形態を参照してt3=50nmとする。つまり、有機色素層３は吸収損失（k3=0）を生じないので、有機色素層３の厚さt3が増大すると、プラズモンディップ角度は高角側にシフトするが、プラズモンディップの深さは反射率R=0点と同一である。従って、プラズモンディップ角度が90°以内であればよい。尚、t3＞200nmとなると、プラズモンディップ角度は90°を超える。
【００６３】
次に、ステップ１３０３にて組合せ（入射角θ，金層２の最適の厚さt2）を選択する。図１２の金層２の光入射／反射面の反対面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とする可視レーザ光Vの入射角θは、臨界角θcより大きい範囲で、金層２の光入射／反射面での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。つまり、BK-7プリズム１に対して可視レーザ光Vを相対的に角度スキャンして金層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果である図１４に示す全反射減衰（ATR）信号スペクトルにより最適の厚さt2を選択する。つまり、（θ，t2）=（46.5°，39nm）を選択する。この場合、波長λ=632.8nmのレーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=可変
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=50nm
屈折率n3=1.4
消衰係数k3=0
である。
【００６４】
次に、ステップ１３０４〜１３１０のフローに進み、所望の反射率Rが得られるように有機色素層３の消衰係数k3を決定する。尚、この場合も、有機色素層３の消衰係数k3は銀層７に第２のレーザ光（ポンプ光）を当てることによって励起状態つまり反転分布状態の強度によって一義的に定まる。つまり、k3=η3I、但し、Iはポンプ光のエネルギー等、η3は定数、である。共振器構造の場合、η3は前述のη1、η2より大きい。以下、ステップ１３０５〜１３１０について詳述する。
【００６５】
ステップ１３０４において、消衰係数k3を-kmin(kminは正の値たとえば0.001)とし、ステップ１３０５にて、ATR信号スペクトルをシミュレーションソフトを用いて演算し、ATR信号スペクトルから選択入射角での反射率Rmaxを求める。尚、ATR信号スペクトルを求めず、反射率Rmaxを直接求めてもよい。次いで、ステップ１３０６にて、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rth(たとえば6E4)より大きいか否かを判別する。この結果、Rmax>Rthの場合のときのみステップ１３０９に進み、他方、Rmax≦Rthの場合には、ステップ１３０７、１３０８により消衰係数k3をΔk（たとえば0.001）だけ小さくしてステップ１３０５、１３０６のフローを繰返す。つまり、消衰係数k3を-kminから-kmax(kmaxは正の値たとえば1.0)まで変化させ,その間に、選択入射角での反射率Rmaxが所定値Rthに到達したときの消衰係数k3を選択する。尚、ステップ１３０８にてk3＜-kmaxであれば、ステップ１３１０に進み、エラーとなる。
【００６６】
たとえば、k3=-0.211の場合にステップ１３０５にて演算されたATR信号スペクトルが図１５に図示されている。この場合には、選択入射角での反射率RmaxはRthに到達しているので、ステップ１３０６からステップ１３０９に進み、k3=-0.211が選択されることになる。
【００６７】
図１５においては、波長λ=632.8nmの可視レーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１について、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。金層２について、
厚さt2=39nm
屈折率n2=0.18
消衰係数k2=3
である。有機色素層３について、
厚さt3=50nm
屈折率n3=1.4
消衰係数k3=-0.211
である。銀層７について、
厚さt4=10nm
屈折率n4=0.135
消衰係数k4=4
である。
【００６８】
図１５に示すように、図１４のプラズモンディップ角度θ=46.5°（実際には少しずれた角度46.3°）で消衰係数k3が負の値-0.211のときに、金層２の光入射／出射面における反射光強度Ioutは入射光強度Iinの1013倍程度となる。
【００６９】
このように、共振器層としての銀層７の存在の基で、有機色素層３の励起強度に応じて消衰係数k3を負の値に容易に調整できる。
【００７０】
尚、共振器層としては反射率選択性を有するSiO2／TiO2等の誘電体多層鏡構造を設けることができる。
【００７１】
また、図１６に示すように、金属層としての金層２にHe-Neレーザ源５の可視レーザ光Vあるいは赤外レーザ源５ａの赤外レーザ光IRの波長λより小さい直径の孔部２１を形成する。これにより、可視レーザ光Vもしくは赤外レーザ光IRの一部は金層２の孔部２１に入射する。このとき、孔部２１の直径は波長λより小さいので、孔部２１に入射した光は孔部２１の外部に放射されることはなく、その一方でエバネッセント光を発生する。この現象は、微小開口によるエバネッセント光の発生として知られている。そして、孔部２１の１つに発生したエバネッセント光は、図１６の（Ｂ）に矢示するように、孔部２１の配列に従って縦横斜めに、次々に隣接する孔部２１に伝播することによって強度が増大される。この結果、強度が増大されたエバネッセント光により金層２の光入射／反射面の反対面に表面プラズモン共鳴光がさらに容易に励起される。
【００７２】
上述の実施の形態において、誘電体層を励起させるためのレーザ光（ポンプ光）をパルス駆動させて反射光をパルス化できる。すなわち、パルスレーザ光が入射時間のみ、誘電体層が反転分布状態となり、負の消衰係数を実現でき、この結果、反射光として大きな尖頭値を有するパルス光を得ることができる。たとえば、図７の光増幅器においては、1mWの入射光に対して反射光として1GWの尖頭値を有するパルス光を得ることができる。
【００７３】
また、上述の実施の形態において、表面プラズモン共鳴光を形成するための金層２を電極とすることができるので、誘電体層を励起させるための電流注入は容易に行うことができる。特に、図１２の光増幅器のAu／誘電体／Agの共振器構造は電流注入を行う構造と同一である。さらに、内部量子効率が高くかつ外部量子効率が低い高反転分布赤外系発光素子では、外部から弱い入射光に対して本発明によりほぼ１００％の効率で光を外部へ取り出すことができる。
【００７４】
上述の図２、図８、図１３のルーチンはプログラムとして記憶媒体に記憶される。例えば、記憶媒体がROM等の不揮発性メモリであれば予め組込まれ、記憶媒体がRAM等の揮発性メモリであれば必要に応じて書込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係る光増幅器の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の光増幅器の設計フローを示すフローチャートである。
【図３】図２の金層の厚さt2を選択するステップ２０１を説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。
【図４】図２の組合せ（入射角θ、有機色素層の厚さt3）の選択をするステップ２０２を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図５】図２の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ２０６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図６】図２の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ２０６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図７】本発明に係る光増幅器の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図８】図７の光増幅器の設計フローを示すフローチャートである。
【図９】図８の組合せ（入射角θ、GaAs層の厚さt3）の選択をするステップ８０２を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１０】図８の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ８０６を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１１】図１０の拡大図である。
【図１２】本発明に係る光増幅器の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１３】図１２の光増幅器の設計フローを示すフローチャートである。
【図１４】図１３の（入射角θ、金層の厚さt2）の選択をするステップ１３０３を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１５】図１３の選択入射角での反射率Rmaxを演算するステップ１３０５を説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１６】図１、図７、図１２の金層の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１７】従来の光ファイバ光増幅器を示すブロック図である。
【図１８】従来の光導波路増幅器を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７６】
１：BK-7プリズム
２：金層
３：有機色素層
３ａ：GaAs層
４：無反射コート
５：He-Neレーザ源
５ａ：赤外レーザ源
６：波長板
７：銀層
【図１】
0005205125.tif 000002
【図２】
0005205125.tif 000003
【図３】
0005205125.tif 000004
【図４】
0005205125.tif 000005
【図５】
0005205125.tif 000006
【図６】
0005205125.tif 000007
【図７】
0005205125.tif 000008
【図８】
0005205125.tif 000009
【図９】
0005205125.tif 000010
【図１０】
0005205125.tif 000011
【図１１】
0005205125.tif 000012
【図１３】
0005205125.tif 000013
【図１４】
0005205125.tif 000014
【図１５】
0005205125.tif 000015
【図１６】
0005205125.tif 000016
【図１７】
0005205125.tif 000017
【図１８】
0005205125.tif 000018
【図１２】
0005205125.tif 000019